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口罩會影響溝通的「聲音」與「視覺」線索,該如何為愛防疫無礙溝通?

雅文兒童聽語文教基金會_96
・2020/08/11 ・3084字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 462 ・五年級

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

  • 文/雅文基金會聽語科學研究中心 研究員張逸屏

2020 年全球因為 COVID-19(俗名:新冠肺炎)疫情而受到大規模的影響,人人都需採取一些措施預防疫情擴散。防疫除了保護自己,其實也是為了身邊我們關心的人們。如同知名小兒科醫師黃瑽寧提倡的「為愛防疫」,主要是為了保護家中的長輩、孩子、慢性病患者或免疫力較弱的人。就一般日常生活而言,最主要的防疫措施就是勤洗手和戴口罩了。

視聽兩盲茫,口罩造成的溝通障礙

戴口罩雖然能有效防疫,但長時間戴著可能會覺得悶熱、呼吸不順、說話較久時會覺得有點喘。講話時戴著口罩,也可能會讓別人聽不太清楚,尤其在吵雜環境中特別明顯。口罩有可能會讓人溝通不順暢,其實可從兩個面向來討論:聽覺視覺

先來談談視覺的部份:平常我們在對話時,除了用聽的之外,其實還會用看的。除了我們常認知的,許多聽力受損者會用讀唇來了解對方說的話,即使是聽力正常的人,也會利用嘴形和臉部表情等線索,整合視覺與聽覺來幫助語音的理解1。當戴著口罩說話時,不只語音訊息被減弱了2,沒有視覺線索,對話接收也會更加困難。

對於聽力正常的人來說,少了視覺線索或許影響不會太大。但對聽損人士,要使用口語為主要溝通方式時,就少了重要的輔助線索。而若一位聽損者是以讀唇為主要理解口語訊息的方式,那人人戴口罩的情形下,溝通就變得相當令人受挫了!

因此,在疫情肆虐下,有不少人在防疫之餘,仍持續關心弱勢,製作了透明口罩3,4,讓聽損者與他人的溝通能更加順暢。

透明口罩讓嘴形不再受到口罩遮蔽,使溝通更順暢。(來源:Student Makes Masks with Plastic Panels to Help Aid Communication

再來看看聽覺上,戴口罩對語音訊息的影響是什麼?

根據聲學實驗室的量測2,口罩其實是一個低通濾波器,對低頻的聲音幾乎沒有影響,但較高頻(約 2000-7000 赫茲)的語音訊息經過口罩後,振幅(音量)則會衰減。然而,高頻語音通常都帶有釐清語意的線索,所以高頻語音訊號的減弱,對於語言的理解有很大的影響。以中文來說,高頻範圍的語音大多是聲母(像是 ㄓ, ㄘ, ㄒ 等),若聽不清楚這些聲音,可能會把草地聽成掃地(ㄘ vs. ㄙ)、鞋子聽成茄子(ㄒvs. ㄑ)、褲子聽成兔子(ㄎ vs. ㄊ)、舌頭聽成額頭(ㄕ沒有聽到)。

口罩其實是一個低通濾波器,會造成講話時聲音的損失。圖上縱軸為音量,橫軸為頻率。可見綠線為沒有口罩的基準線,幾乎所有的口罩都影響口語發音,高頻段影響較大。(點圖放大)圖/Goldin et al, 2020

如此,便會造成聽起來句子不合邏輯而無法回應,或是因聽錯而答非所問等情況。如果試著把一段話只保留韻母、去掉聲母來唸唸看,例如「現在都不能出國玩」就會變成「厭愛歐勿ㄥˊ巫ㄨㄛˊ玩」,是不是有一點像戴著口罩又摀著嘴巴說話,雖然都聽得到、但卻悶悶的很不清晰!

一副口罩,拉出了一點五倍的距離

而口罩對高頻聲音的影響程度,根據量測數據2,一般醫療口罩造成的衰減大約是 3-4 分貝,N95口罩則可高達 12 分貝的衰減。

聲音小 3 分貝是什麼意思呢?可以從音量和距離的關係來想像,我們都知道離得愈遠,聲音聽起來會愈小,也就是音量會隨著距離增加而減弱。更精確地說,距離變成 2 倍時,音量會變小 6 分貝5。經過換算6,音量變小 3-4 分貝,大約就是距離變成 1.5 倍的概念。研究指出7,亞洲人和熟人之間感覺舒適的距離約為 80 公分、和陌生人則是 120 公分左右(剛好 80*1.5 就是 120)。

因此,當我們戴著一般醫療口罩和好朋友聊天時,彼此的距離就像是變成了最熟悉的陌生人!若是醫護人員戴上厚厚的 N95 口罩,則感覺上距離會變成 4 倍!再加上醫療場域的噪音干擾,可以想見病人──特別是可能患有重聽的長輩──聽得有多麼辛苦。

口罩遮蔽了視覺線索、也影響了聽覺訊息,也難怪在戴口罩又吵雜的公共場所中,我們會發現比較聽不清楚。這樣聆聽困難的狀況,聽常者已經有感,更不用說對聽損者的影響有多大了。其實聽損的情況比一般人想像中要來得普遍。根據衛福部的數據8,全台聽力障礙人數約有 12 萬人,佔總人口約千分之五,也就是大約每 200 人中,就有一位有著不同程度的聽力受損

真實的比例可能更高,因為輕中度聽損的人可能並未就醫,或是尚未達身心障礙補助的標準,就不會列在衛福部的數據中。可見平常生活中,很可能會和聽力受損的人們說話,也許是家中重聽的長輩,也可能是買東西時遇到的阿伯。

以目前所知的比例,在平常生活中我們應當很常需要與聽力受損的人們說話,也許是家中重聽的長輩,也可能是買東西時遇到的阿伯。圖/rawpixel.com / CC0

戴口罩這樣做,讓溝通無障礙

那麼,當全民都戴上口罩時,我們可以用什麼方法來讓聽力受損的人聽得更輕鬆呢?下面提供一些策略給大家參考,這些方法對一般聽常者在戴口罩時的對話理解也是有幫助的。

最簡單的策略就是說慢一點、清楚一點,但不要大吼大叫

因為大聲說話時,音量變大的幾乎都是韻母(如 ㄚ 和 ㄨ),反而會覆蓋掉帶有重要語意訊息的聲母(如 ㄑ 和 ㄘ)。如果能減少環境的噪音也會很有幫助,例如換個地方說話、或把電視關掉。也可以在說話前,先拍拍對方或用眼神、動作引起注意。

此外,最好一次一個人說話,避免多人同時講話,也盡量不要邊走邊說話。如果對方實在聽不清楚,與其一直重複愈講愈大聲、愈講愈生氣,不如換句話說,或是用手勢動作來輔助,甚至改用寫的、用手機打字會更有效率。還有許多友善溝通的策略,在雅文基金會的溝通新態度網站9可以找到喔!

我們最希望見到的,當然是這次全球的疫情都能趕快過去。但在目前的情形下,戴口罩仍是不能避免的。即使是沒有疫情時,人人都有感冒生病的時候,為了避免傳染他人,還是會戴上口罩。或是就醫時,醫護人員也都戴著口罩。上述的這些溝通策略,在這些情況下都會有幫助。或是沒戴口罩的情形下,遇到重聽的長輩或聽損者,也能運用這些策略讓溝通更順暢。

因此,在我們為了愛防疫的同時,也別忘了,運用簡單的溝通策略,讓人與人之間能夠溝通無礙!

防疫戴上口罩的同時,運用簡單的溝通策略,讓人與人之間能夠溝通無礙!圖/elements.envato

參考資料

  1. Tye-Murray, N., Spehar, B., Myerson, J., Hale, S., & Sommers, M. (2016). Lipreading and audiovisual speech recognition across the adult lifespan: Implications for audiovisual integration. Psychology and Aging, 31(4), 380–389.
  2. Goldin A, Weinstein BE, & Shiman N. (2020). How do medical masks degrade speech perception? Hearing Review, 27(5):8-9.
  3. design boom: First fully transparent surgical mask soon to be produced on an industrial scale.
  4. Student Makes Masks with Plastic Panels to Help Aid Communication. Hearing Review (2020, April 3). Retrieved from https://bit.ly/3aPhZ5j
  5. Hamill, T.A., & Price, L.L. (2019). Ratios, logarithms, and decibels. In The Hearing Science, 3rd (pp. 13-26). San Diego, CA: Plural Publishing.
  6. Damping of sound level (decibel dB) vs. distance. Retrieved from http://www.sengpielaudio.com/calculator-distance.htm
  7. Sorokowska, A., Sorokowski, P., Hilpert, P., Cantarero, K., Frackowiak, T., Ahmadi, K., … & Blumen, S. (2017). Preferred interpersonal distances: a global comparison. Journal of Cross-Cultural Psychology48(4), 577-592.
  8. 中華民國衛生福利部統計處(2020)。身心障礙者人數按季,取自https://dep.mohw.gov.tw/DOS/cp-2976-13815-113.html
  9. 雅文基金會。聽損溝通小學堂,取自http://communicate.chfn.org.tw/main/lesson

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用這劑補好新冠預防保護力!防疫新解方:長效型單株抗體適用於「免疫低下族群預防」及「高風險族群輕症治療」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/01/19 ・2874字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 台灣感染症醫學會 合作,泛科學企劃執行。

  • 審稿醫生/ 台灣感染症醫學會理事長 王復德

「好想飛出國~」這句話在長達近 3 年的「鎖國」後終於實現,然而隨著各國陸續解封、確診消息頻傳,讓民眾再度興起可能染疫的恐慌,特別是一群本身自體免疫力就比正常人差的病友。

全球約有 2% 的免疫功能低下病友,包括血癌、接受化放療、器官移植、接受免疫抑制劑治療、HIV 及先天性免疫不全的患者…等,由於自身免疫問題,即便施打新冠疫苗,所產生的抗體和保護力仍比一般人低。即使施打疫苗,這群病人一旦確診,因免疫力低難清除病毒,重症與死亡風險較高,加護病房 (ICU) 使用率是 1.5 倍,死亡率則是 2 倍。

進一步來看,部分免疫低下病患因服用免疫抑制劑,使得免疫功能與疫苗保護力下降,這些藥物包括高劑量類固醇、特定免疫抑制之生物製劑,或器官移植後預防免疫排斥的藥物。國外臨床研究顯示,部分病友打完疫苗後的抗體生成情況遠低於常人,以器官移植病患來說,僅有31%能產生抗體反應。

疫苗保護力較一般人低,靠「被動免疫」補充抗新冠保護力

為什麼免疫低下族群打疫苗無法產生足夠的抗體?主因為疫苗抗體產生的機轉,是仰賴身體正常免疫功能、自行激化主動產生抗體,這即為「主動免疫」,一般民眾接種新冠疫苗即屬於此。相比之下,免疫低下病患因自身免疫功能不足,難以經由疫苗主動激化免疫功能來保護自身,因此可採「被動免疫」方式,藉由外界輔助直接投以免疫低下病患抗體,給予保護力。

外力介入能達到「被動免疫」的有長效型單株抗體,可改善免疫低下病患因原有治療而無法接種疫苗,或接種疫苗後保護力較差的困境,有效降低確診後的重症風險,保護力可持續長達 6 個月。另須注意,單株抗體不可取代疫苗接種,完成單株抗體注射後仍需維持其他防疫措施。

長效型單株抗體緊急授權予免疫低下患者使用 有望降低感染與重症風險

2022年歐盟、英、法、澳等多國緊急使用授權用於 COVID-19 免疫低下族群暴露前預防,台灣也在去年 9 月通過緊急授權,免疫低下患者專用的單株抗體,在接種疫苗以外多一層保護,能降低感染、重症與死亡風險。

從臨床數據來看,長效型單株抗體對免疫功能嚴重不足的族群,接種後六個月內可降低 83% 感染風險,效力與安全性已通過臨床試驗證實,證據也顯示針對台灣主流病毒株 BA.5 及 BA.2.75 具保護力。

六大類人可公費施打 醫界呼籲民眾積極防禦

台灣提供對 COVID-19 疫苗接種反應不佳之免疫功能低下者以降低其染疫風險,根據 2022 年 11 月疾管署公布的最新領用方案,符合施打的條件包含:

一、成人或 ≥ 12 歲且體重 ≥ 40 公斤,且;
二、六個月內無感染 SARS-CoV-2,且;
三、一周內與 SARS-CoV-2 感染者無已知的接觸史,且;
四、且符合下列條件任一者:

(一)曾在一年內接受實體器官或血液幹細胞移植
(二)接受實體器官或血液幹細胞移植後任何時間有急性排斥現象
(三)曾在一年內接受 CAR-T 治療或 B 細胞清除治療 (B cell depletion therapy)
(四)具有效重大傷病卡之嚴重先天性免疫不全病患
(五)具有效重大傷病卡之血液腫瘤病患(淋巴肉瘤、何杰金氏、淋巴及組織其他惡性瘤、白血病)
(六)感染HIV且最近一次 CD4 < 200 cells/mm3 者 。

符合上述條件之病友,可主動諮詢醫師。多數病友施打後沒有特別的不適感,少數病友會有些微噁心或疲倦感,為即時處理發生率極低的過敏性休克或輸注反應,需於輸注時持續監測並於輸注後於醫療單位觀察至少 1 小時。

目前藥品存放醫療院所部分如下,完整名單請見公費COVID-19複合式單株抗體領用方案

  • 北部

台大醫院(含台大癌症醫院)、台北榮總、三軍總醫院、振興醫院、馬偕醫院、萬芳醫院、雙和醫院、和信治癌醫院、亞東醫院、台北慈濟醫院、耕莘醫院、陽明交通大學附設醫院、林口長庚醫院、新竹馬偕醫院

  • 中部

         大千醫院、中國醫藥大學附設醫院、台中榮總、彰化基督教醫療財團法人彰化基督教醫院

  • 南部/東部

台大雲林醫院、成功大學附設醫院、奇美醫院、高雄長庚醫院、高雄榮總、義大醫院、高雄醫學大學附設醫院、花蓮慈濟

除了預防 也可用於治療確診者

長效型單株抗體不但可以增加免疫低下者的保護力,還可以用來治療「具重症風險因子且不需用氧」的輕症病患。根據臨床數據顯示,只要在出現症狀後的 5 天內投藥,可有效降低近七成 (67%) 的住院或死亡風險;如果是3天內投藥,則可大幅減少到近九成 (88%) 的住院或死亡風險,所以把握黃金時間盡早治療是關鍵。

  • 新冠治療藥物比較表:
藥名Evusheld
長效型單株抗體
Molnupiravir
莫納皮拉韋
Paxlovid
倍拉維
Remdesivir
瑞德西韋
作用原理結合至病毒的棘蛋白受體結合區域,抑制病毒進入人體細胞干擾病毒的基因序列,導致複製錯亂突變蛋白酵素抑制劑,阻斷病毒繁殖抑制病毒複製所需之酵素的活性,從而抑制病毒增生
治療方式單次肌肉注射(施打後留觀1小時)口服5天口服5天靜脈注射3天
適用對象發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人(18歲以上)的輕症病患。發病7天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與孩童(年齡大於28天且體重3公斤以上)的輕症病患。
*Remdesivir用於重症之適用條件和使用天數有所不同
注意事項病毒變異株藥物交互作用孕婦哺乳禁用輸注反應

免疫低下病友需有更多重的防疫保護,除了戴口罩、保持社交距離、勤洗手、減少到公共場所等非藥物性防護措施外,按時接種COVID-19疫苗,仍是最具效益之傳染病預防介入措施。若有符合施打長效型單株抗體資格的病患,應主動諮詢醫師,經醫師評估用藥效益與施打必要性。

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聲音的DNA:聲紋辨識
雅文兒童聽語文教基金會_96
・2023/01/14 ・2473字 ・閱讀時間約 5 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

  • 文/洪萱眉 雅文基金會聽語科學研究中心 助理研究員

在如今這個網路時代,人人在日常生活中都常要透過帳號、密碼來辨識身份,不管是提款卡、行動裝置(手機、筆電、平板)、網路銀行、行動支付等,都需設定一組帳號密碼來辨識自己的身份。

為了不讓自己的帳號被駭,每次都得抓破頭來設定,太簡單擔心被破解,太複雜又怕自己記不住。更煩人的是,每個平台的密碼設定都有自己的規則,有些要求要有特殊符號,有些則要求英文大小寫和數字都要有。

於是,為了兼顧安全與便利性,越來越多廠商使用指紋辨識來解鎖,這樣既不用擔心忘記密碼,也不容易被盜用。然而,你知道,我們的聲音其實和指紋一樣,也能進行身份辨識嗎?

專屬個人的聲音密碼

每個人的聲音都有獨特性,和指紋一樣能進行身份辨識。圖/freepik

聲音跟指紋一樣,都有獨一無二的特定性,而在利用聲音的特性做辨識時,就稱為聲紋辨識。我們接到熟識親朋好友來電時,他們不用說他是誰,我們只要一聽到聲音就能辨識。這是因為每個人的說話特性不同,聽聲音就能辨識說話者。而我們的語音訊號中可供辨識的因素,主要可分為三個面向[1]

  • 發音器官的差異:因每個人的發音器官差異,如口腔形狀、聲帶長短粗細不同,造成每個人的聲音特性有所不同。例如,當小朋友前排乳牙掉了時,說話時會有俗稱「漏風」的感覺,就是因為口腔的共鳴特性變了而造成的;而男生的聲帶比女生的要長且粗厚,振動頻率較低,因此聲音較低沈。
  • 說話方式的差異:每個人的說話習慣的不同,像是說話的語速、語氣、抑揚頓挫、咬字清晰度、口音等等。比如電話一接通,就聽到大聲又連珠炮似的說話,馬上就知道是樓上的王阿姨要找媽媽。或是一聽到緩慢溫柔充滿感情的台灣國語,就知道是阿嬤從台南打電話來了。
  • 說話內容的差異:生長背景、教育程度、社經地位的不同,使說話內容有所差異,例如:用詞、句型等等。像巷口賣水果的阿伯和他讀中文系的女兒,同樣要向顧客自賣自誇鳳梨有多甜,女兒也許會說「那甜蜜的滋味藏著一絲微微的酸,就像那年夏天的初戀」,阿伯則可能會說「帥哥偶謀騙你,這粒旺來跟我女兒的笑容一樣甜啦!」

上述的這些差異都可作為我們辨識說話者的依據。而其中說話方式和內容可能被他人學習、模仿,只有發音器官的差異是天生的,無法被模仿且在分析,所以許多辨識系統是採用發音的聲學特徵(acoustic features),例如,聲音頻率(高/低)、音色(如:輕柔、渾厚)等特性都可作為辨識的依據[1]

聲紋比對辨身分

聲紋辨識和指紋一樣,皆為生物辨識的一種。從人類的身上萃取出具有身份鑑別能力的特徵,如:指紋、聲音,將此特徵經處理、分析後儲在系統裡,日後可依據此特徵來辨識使用者的身份。利用我們獨特的聲音來辨識身份的聲紋技術,亦可稱為「語者辨認」或「說話人辨認」(speaker identification)[2]

聲紋辨識的過程包含兩個階段:1. 聲紋提取(voiceprint extraction)。2. 聲紋比對(voiceprint comparison)。在確認說話者的身分之前,要先有說話者的聲音語料,依說話者提供的聲音語料進行分析,並建立專屬他的聲紋模型

一般在處理語音訊號時,會將音檔切割成小區段的方式來處理、進行分析,透過聲譜圖上的資訊來分析說話者的聲音頻率、音強、抑揚頓挫等建立專屬他的聲紋模型,並將其聲紋資訊存到系統裡。就像將我們的指紋存到手機的系統裡一樣,可以比對我們登錄系統裡的生物資訊來進行身份的核對。

當系統裡存有說話者的聲紋資訊後,其實就就能快速的進行一對一的說話者身份驗證(speaker verification),或是進行一對多的說話者辨認(speaker identification),從眾多人找出誰是說話者[3]

聲紋辨識不只可以抓犯人,還可以……

上述的聲紋辨識,是不是會讓你聯想到在看影集時,劇中的刑警從報案中心的人聲或是搜集回來的錄音檔中,辨識出報案人或犯人的身份。一般大家的印象會覺得聲紋辨識只會出現在刑事調查中,但其實日常生活中已經有用到聲紋來辨識身份囉!比如,智慧型手機的語音助理,只要說出關鍵詞:「嘿,Siri」、「OK Google」就能啟動AI回應。

其實,這個過程就是擷取聲音特徵,並與之前登錄的音檔互相比對,進行說話者的身份認證。除此之外,越來越多的金融機構也開始引進這項技術,憑聲音來確認身份,這樣除了可以取代回答冗長的問題來確認客戶身份、提高便利性外,也同時提高了安全性[4]

除了辨識身份,聲紋辨識其實也能應用在其他地方。現在也有許多研究團隊開發各種聲紋科技的應用,例如:透過大數據的聲音比對,由電腦判斷出鳳梨的好壞[5]、或是辨識青蛙叫聲的APP [6]等,這些也都是運用到聲紋辨識的原理。想必聲紋科技的發展會是一種趨勢,未來會有越來越多的場合都能運用此技術,讓我們拭目以待!

現今生活中越來越多使用聲紋辨識技術。比如,現代人不可分開的智慧型手機,對手機的語音助理說出關鍵台詞,就能啟動AI的回應。圖/freepik

參考資料:

  1. 王小川。(2009)。說話人辨認。語音訊號處理(第二版,頁12-2 – 12-12)。全華圖書。清華大學電機系。淺談語者辨認http://web.ee.nthu.edu.tw/p/404-1175-11508.php?Lang=zh-tw
  2. Phonexia. (n.d). What Is Voice Biometrics?https://www.phonexia.com/knowledge-base/voice-biometrics-essential-guide/
  3. 緒方憲太郎。(2022)。語音科技將會如何改變未來。聲音經濟學(林詠譯,頁159-191)。商周出版。
  4. 洪明生、蘇晟維。(2022/12/11)。大數據聲紋比對判斷好壞 選鳳梨用「聽」的! Yahoo!新聞。取自:https://bit.ly/3Vrh2Hf
  5. 上游新聞市集。(2022/8/25)。現在是哪隻青蛙在叫?「蛙抵家」APP幫你聽聲認蛙!青蛙辨識軟體,揪你幫台灣錄蛙聲。取自:https://today.line.me/tw/v2/article/7NjZrr8
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柔軟的導電革命:前所未見的無序高分子導體
linjunJR_96
・2022/12/30 ・1995字 ・閱讀時間約 4 分鐘

只有金屬會導電?

怎麼樣的材料能導電?這個問題的答案或許將永遠改寫。

怎麼樣的材料能導電?金屬?這個問題的答案或許將永遠改寫。圖/pexels

芝加哥大學的研究團隊發現了一種新的合成材料,擁有塑膠般柔軟的非晶體結構,同時又有金屬般的導電性質。

講到導體,首先會想到的是老字號的金屬家族。金銀銅鐵這類材料是由單一金屬原子排列成整齊的晶格,自由電子可以穿梭其中。大約從十八世紀開始,科學家便知道常見的金屬可以用來傳導電荷,並將物質分為導體和橡膠這類的絕緣體。利用金屬電纜和元件,人們打造了公共電力網和電力火車頭,將人類社會帶進了電氣時代。

利用金屬電纜和元件,人們打造了公共電力網和電力火車頭,將人類社會帶進了電氣時代。圖/pexels

相隔許久後,二十世紀後半幾次意外的實驗讓科學家發現聚乙炔這種高分子聚合物在摻雜了些許碘原子之後,也能表現出良好的導電性。這完全顛覆了人們對於導體的認知:

原來除了金屬材料之外,塑膠聚合物也可以作為導體。

和傳統無機材料比起來,導電聚合物的製程簡單便宜,也有較好的可塑性,被俗稱為「導電塑膠」。這種突破性的材料帶來了新一波的電子產品,像是有機發光二極體(OLED)螢幕、有機太陽能電池、以及有機半導體科技等等。

儘管有著導電塑膠的響亮名號,但是導電聚合物和金屬導體一樣,都有緊密整齊的晶格結構,讓特定能量的電子可以順暢地流通。事實上,現代的固態理論認定固態材料必須要有這些整齊排列的晶格,才能有效地傳導電力。像是玻璃、黏土、橡膠這些結構無序的非晶體材料則肯定無法導電。

從左到右分別是有序的晶體、無序的非晶體、和氣體。圖/ Encyclopædia Britannica

再一次超越想像,無序材料也能導電

不過芝加哥大學博士生 Jiaze Xie(現為普林斯頓大學博士後研究員)近期發現了另外一種可能性。他選擇了 TTFtt 這種高分子作為嘗試的目標。TTF 結構本身在數年前就已經被發現可以作為導電高分子的組成單元,但因為合成技術困難,並沒有受到研究圈的關注。Jiaze Xie 將鎳原子鑲在碳原子和硫原子組成的長鏈上,合成出全新的 NiTTFtt,開始了一系列的實驗。

在實驗室中,NiTTFtt 展現了不錯的導電性。但最令人驚訝的是,X 射線繞射結果顯示它的分子結構是無序的,沒有整齊的晶格結構。它是一種理論上不該存在的「無序高分子」導體。

事實上,NiTTFtt 的質地就像是小朋友的玩具黏土一樣,只要將一坨 NiTTFtt 黏在電路上,就可以開始導電。這表示它有著幾乎無人能敵的可塑性。除此之外,它還十分的穩定。實驗人員將它加熱到攝氏兩百多度、放在潮濕的空氣中幾十天、在它身上滴強酸強鹼,想盡各種方式考驗它,但它的導電性在各種條件下幾乎都能保持穩定,顯示其實際應用的潛力不容小覷。

這種被現有理論排除的材料為什麼有辦法存在呢?研究團隊利用掃描式電子顯微鏡和 X 光繞射的探測結果建構出了下圖的原子結構模型,企圖對這種前所未見的材料提出解釋。

每個綠色的鎳原子為基準可以看出一個個扁平的組成單元,他們首先組成長長的一維長條。圖/參考資料

以每個綠色的鎳原子為基準可以看出一個個扁平的組成單元。他們首先組成長長的一維長條(左),平行堆疊成千層派一樣的結構(中),並橫向排列形成立體的材料(右)。注意到每個長條排列的方向雖然一樣,但是並不需要有規律的秩序。

透過理論計算和電腦模擬,研究團隊發現長條之間即使經過平移或是扭曲,電子活動的範圍還是能維持足夠的重疊,讓電子能夠穿過不規則排列的千層派結構。也就是說,NiTTFtt 的特殊原子結構使得其導電性能在非結晶結構下屹立不搖。

獨一無二的特性,或許可以帶來更多的突破

NiTTFtt 獨一無二的材料性質顛覆了固態物理的既有認知,讓這份研究登上了《自然》期刊。由於電子產品是如此無所不在,任何關於導電材料的發展都會帶來無限的可能性。NiTTFtt 的可塑性以及耐溫耐濕耐酸鹼的超人特性開啟了許多傳統導體無法想像的機會。

研究團隊向全世界示範了有機分子只要有適當的結構,就可以在非結晶排列下維持金屬般的導體性質。他們也期待「無序高分子」導體能夠像金屬導體和導電聚合物兩位大前輩一樣,為人類社會帶來革命性的科技突破。

參考資料